NICKEL: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNING, RISKER - KEMI - 2025

Den nickel är en övergångsmetall vit kemiska beteckningen är Ni. Dess hårdhet är större än järn, förutom att den är en god ledare för värme och elektricitet, och i allmänhet anses den vara en metall som inte är mycket reaktiv och är mycket resistent mot korrosion. I dess rena tillstånd är det silver med gyllene nyanser.

1751 lyckades Axel Fredrik Cronsted, en svensk kemist, isolera det från ett mineral känt som Kupfernickel (djävulens koppar), utvinnat från en koboltgruva i en svensk by. Först trodde Cronsted att mineralet var koppar, men det isolerade elementet visade sig vara vitt i färg, skiljt från koppar.

Nickelsfärer där dess gyllene toner lyser igenom. Källa: René Rausch

Cronsted namngav elementet nickel och det konstaterades senare att mineralet som kallas kupfernickel var nikolit (nickelarsenid).

Nickel extraheras huvudsakligen från två avsättningar: stolliga bergarter och andra segregationer av jordens magma. Mineralerna är svavelhaltiga, som pentladit. Den andra källan till nickel är lateriter, med nickelrika mineraler som garnierit.

Den huvudsakliga applikationen av nickel är vid bildning av legeringar med många metaller; till exempel är det involverat i produktion av rostfritt stål, en industriell verksamhet som förbrukar cirka 70% av världens nickelproduktion.

Dessutom används nickel i legeringar som alnico, en legering av magnetisk natur avsedd för tillverkning av elmotorer, högtalare och mikrofoner.

Nickel började användas vid tillverkning av mynt i mitten av 1800-talet. Emellertid har användningen nu ersatts av mindre dyra metaller; även om det fortsätter att användas i vissa länder.

Nickel är ett väsentligt element för växter, eftersom det aktiverar enzymet ureas som ingriper i nedbrytningen av urea till ammoniak, som kan användas av växter som en kvävekälla. Dessutom är urea en giftig förening som orsakar allvarliga skador på växter.

Nickel är ett element av stor toxicitet för människor, det finns bevis för att vara ett cancerframkallande medel. Dessutom orsakar nickel kontaktdermatit och utvecklingen av allergier.

Historia

antiken

Mannen visste sedan forntiden t ex existens av nickel. Till exempel hittades en nickelandel på 2% i bronsföremål (3500 f.Kr.), närvarande i länder som för närvarande tillhör Syrien.

Kinesiska manuskript antyder också att "vit koppar", känd som baitong, användes mellan 1700 och 1400 f.Kr. Mineralet exporterades till Storbritannien på 1600-talet; men nickelinnehållet i denna legering (Cu-Ni) upptäcktes inte förrän 1822.

I medeltida Tyskland hittades ett rödaktigt mineral, liknande koppar, och som hade gröna fläckar. Gruvarbetarna försökte isolera koppar från malmen, men misslyckades i sitt försök. Dessutom gav kontakt med mineralet hälsoproblem.

Av dessa skäl tillskrev gruvarbetarna mineralet till ett malignt tillstånd och tilldelade det olika namn som illustrerade detta tillstånd; som "Old Nick", också kupfernickel (djävulens koppar). Nu är det känt att mineralen i fråga var nikolit: nickelarsenid, NiAs.

Upptäckt och produktion

1751 försökte Axel Fredrik Cronsted isolera koppar från kupfernickel, erhållen från en koboltgruva nära Los Halsinglandt, en svensk by. Men han lyckades bara få en vit metall, som hittills var okänd och kallade det nickel.

Från och med 1824 erhölls nickel som en biprodukt vid produktion av koboltblått. 1848 inrättades ett smältverk i Norge för att bearbeta det nickel som finns i mineralen pyrrhotit.

År 1889 infördes nickel i stålproduktionen, och depositionerna som upptäcktes i Nya Kaledonien gav nicklet för världskonsumtion.

Egenskaper

Utseende

Silvrig vit, glansig och med en lätt gyllene nyans.

Atomvikt

58,9344 u

Atomnummer (Z)

28

Smältpunkt

1 455 ºC

Kokpunkt

2,730 ºC

Densitet

-Vid rumstemperatur: 8,908 g / ml

-Ved smältpunkt (vätska): 7,81 g / ml

Smältvärme

17,48 kJ / mol

Förångningsvärme

379 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

26,07 J / mol

Elektronnegativitet

1,91 på Pauling-skalan

Joniseringsenergi

Första joniseringsnivå: 737,1 kJ / mol

Andra joniseringsnivån: 1 753 kJ / mol

Tredje joniseringsnivå: 3 395 kJ / mol

Atomradio

Empiriskt 124 pm

Kovalent radie

124,4 ± 16:00

Värmeledningsförmåga

90,9 W / (mK)

Elektrisk resistans

69,3 nΩ m vid 20 ºC

Hårdhet

4.0 på Mohs-skalan.

egenskaper

Nickel är en smidbar, formbar metall och har en större hårdhet än järn och är en god elektrisk och termisk ledare. Det är en ferromagnetisk metall vid normala temperaturer, dess Curie-temperatur är 358 ° C. Vid högre temperaturer än detta är nickel inte längre ferromagnetisk.

Nickel är ett av de fyra ferromagnetiska elementen, de andra tre är: järn, kobolt och gadolinium.

isotoper

Det finns 31 isotoper av nickel, begränsade av ⁴⁸ Ni och ⁷⁸ Ni.

Det finns fem naturliga isotoper: ⁵⁸ Ni, med ett överflöd på 68,27%; ⁶⁰ Ni, med ett överflöd på 26,10%; ⁶¹ Ni, med ett överflöd på 1,13%; ⁶² Ni, med ett överflöd på 3,59%; och ⁶⁴ Ni, med ett överflöd på 0,9%.

Atomvikten på cirka 59 u för nickel visar att det inte finns någon markant övervägande i någon av isotoperna (även om ⁵⁸ Ni är den vanligaste).

Struktur och elektronisk konfiguration

Nickel metallic kristalliserar till en ansiktscentrerad kubisk (fcc) struktur. Denna fcc-fas är extremt stabil och förblir oförändrad upp till tryck nära 70 GPa; Det finns lite bibliografisk information om faser eller polymorfer av nickel under högt tryck.

Morfologin för nickelkristaller är variabel, eftersom de kan arrangeras på ett sådant sätt att de definierar en nanorör. Som en nanopartikel eller ett makroskopiskt fast ämne förblir den metalliska bindningen densamma (i teorin); det vill säga det är samma valenselektroner som håller Ni-atomerna samman.

Enligt de två möjliga elektroniska konfigurationerna för nickel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Tio elektroner är involverade i den metalliska bindningen; antingen åtta eller nio i 3d-bana, tillsammans med två eller en i 4-bana. Observera att valensbandet är praktiskt taget fullt, nära att transportera dess elektroner till ledningsbandet; ett faktum som förklarar dess relativt höga elektriska ledningsförmåga.

Nickels fcc-struktur är så stabil att den till och med adopteras av stål när den läggs till den. Således är rostfritt järn med högt nickelinnehåll också fcc.

Oxidationsnummer

Nickel, även om det kanske inte ser ut som det, har också ett stort antal eller oxidationstillstånd. Negativen är uppenbara när man vet att det bara saknar två elektroner för att slutföra tio av dess 3d-kretslopp; sålunda kan den få en eller två elektroner med oxidationsnummer -1 (Ni ^- ) respektive -2 (Ni ^2- ).

Det mest stabila oxidationsnumret för nickel är +2, förutsatt att det finns en Ni 2 ⁺ -katjon , som har förlorat elektronerna i 4-orbitalen och har åtta elektroner i 3d-kretsloppet (3d ⁸ ).

Det finns också två andra positiva oxidationsnummer: +3 (Ni ³⁺ ) och +4 (Ni ⁴⁺ ). På skol- eller gymnasienivå lärs nickel bara att existera som Ni (II) eller Ni (III), vilket beror på att de är de vanligaste oxidationsnumren som finns i mycket stabila föreningar.

Och när det är metalliskt nickel som är en del av en förening, det vill säga med sin neutrala Ni-atom, sägs det att delta eller binda med ett oxidationsnummer på 0 (Ni ⁰ ).

Var hittar man nickel?

Mineraler och hav

Nickel utgör 0,007% av jordskorpan, så dess överflöd är låg. Men det är fortfarande den näst vanligaste metallen efter järn i jordens smälta kärna, känd som Nife. Havsvatten har en genomsnittlig nickelkoncentration på 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Det finns vanligtvis i stötande bergarter, pentlandit, ett mineral bildat av järn och nickelsulfid, som är en av de viktigaste källorna till nickel:

Sten sammansatt av mineraler pentlandit och pyrrhotit. Källa: John Sobolewski (JSS)

Mineralpentlanditen finns i Sudbury, Ontario, Kanada; en av de viktigaste avsättningarna för denna metall i världen.

Pentlandit har en nickelkoncentration mellan 3 och 5% och är associerad med pyrrhotit, en järnsulfid rik på nickel. Dessa mineraler finns i stenar, produkter från jordens magma-segregeringar.

lateriter

Den andra viktiga källan till nickel är lateriter som består av torra jordar i heta regioner. De är dåliga på kiseldioxid och har flera mineraler, inklusive: garnierit, ett magnesiumnikkelsilikat; och limonit, en järnmalm

Det används i legering med järn främst för produktion av rostfritt stål, eftersom 68% av nickelproduktionen används för detta ändamål.

Det bildar också en legering med koppar, motståndskraftig mot korrosion. Denna legering består av 60% nickel, 30% koppar och små mängder av andra metaller, särskilt järn.

Nickel används i resistiva legeringar, magnetiska och för andra ändamål, såsom nickelsilver; och en legering bestående av nickel och koppar, men innehåller inte silver. Ni-Cu-rör används i avsaltningsanläggningar, skärmar och vid tillverkning av mynt.

Nickel ger seghet och draghållfasthet till legeringar som bygger motståndskraft mot korrosion. Förutom legeringar med koppar, järn och krom, används det i legeringar med brons, aluminium, bly, kobolt, silver och guld.

Monel-legeringen består av 17% nickel, 30% koppar och med spår av järn, mangan och kisel. Det är motståndskraftigt mot havsvatten, vilket gör det idealiskt för användning på fartygspropeller.

Skyddsåtgärder

Nickel som reagerar med fluor bildar ett skyddande skikt för fluorelementet, vilket gör att metalliskt nickel eller Monel-legering kan användas i fluorgasledningarna.

Nickel är resistent mot verkan av alkalier. Av denna anledning används den i behållare som innehåller koncentrerad natriumhydroxid. Det används också för elektroplätering för att skapa en skyddande yta för andra metaller.

Andra användningsområden

Nickel används som reduktionsmedel för sex metaller från platinagruppen av mineraler i vilka det kombineras; främst platina och palladium. Nickelskum eller nät används vid tillverkning av elektroder för alkaliska bränslebatterier.

Nickel används som katalysator för hydreringen av omättade vegetabiliska fettsyror, och används i processen för framställning av margarin. Koppar och Cu-Ni-legeringen har antibakteriell verkan på E. coli.

Nanopartiklar

Nikkelpartiklar (NPs-Ni) finner en mängd olika användningsområden på grund av deras större ytarea jämfört med ett makroskopiskt prov. När dessa NPs-Ni syntetiseras från växtekstrakt utvecklar de antimikrobiella och antibakteriella aktiviteter.

Anledningen till ovannämnda beror på dess större tendens att oxidera i kontakt med vatten, bilda Ni2 ⁺ -kationer och mycket reaktiva syrearter, som denaturerar mikrobiella celler.

Å andra sidan används NPs-Ni som elektrodmaterial i fasta bränsleceller, fibrer, magneter, magnetiska vätskor, elektroniska delar, gassensorer etc. På samma sätt är de katalytiska bärare, adsorbenter, blekmedel och reningsmedel för avloppsvatten.

-Composites

Nickelklorid, nitrat och sulfat används i nickelbad vid galvanisering. Dessutom används dess sulfatsalt vid framställning av katalysatorer och mordanter för färgning av textilier.

Nickelperoxid används i lagringsbatterier. Nickelferriter används som magnetkärnor i antenner i olika elektriska apparater.

Nickeltertrakarbonyl ger kolmonoxid för syntes av akrylater, från acetylen och alkoholer. Den kombinerade oxiden av barium och nickel (BaNiO ₃ ) tjänar som råmaterial för tillverkning av katoder av många laddningsbara batterier, såsom Ni-Cd, Ni-Fe och Ni-H.

Biologisk roll

Växter kräver närvaron av nickel för att de ska växa. Det är känt att det används som en kofaktor av olika växtenszymer, inklusive ureas; enzym som omvandlar urea till ammoniak och kan använda denna förening i växternas funktion.

Dessutom ger ansamling av urea en förändring i växternas löv. Nickel fungerar som en katalysator för att främja kvävefixering av baljväxter.

De grödor som är mest känsliga för nickelbrist är baljväxter (bönor och alfalfa), korn, vete, plommon och persikor. Dess brist manifesteras i växter av kloros, bladfall och tillväxtbrister.

I vissa bakterier är enzymet ureas beroende av nickel, men det anses att dessa kan ha en virulent verkan på de organismer de bor.

Andra bakterieenzymer, såsom superoxiddismutas, såväl som glyxidas som finns i bakterier och vissa parasiter, till exempel i trypanosomer, är beroende av nickel. Men samma enzymer i högre arter är inte beroende av nickel utan av zink.

risker

Intag av stora mängder nickel är förknippat med generering och utveckling av cancer i lungor, nasal, laryngeal och prostata. Dessutom orsakar det luftvägar, andningsfel, astma och bronkit. Nickeldampar kan orsaka lungirritation.

Nickelkontakt med huden kan ge sensibilisering, som därefter ger en allergi, som manifesteras som ett hudutslag.

Exponering för hud för nickel kan orsaka en dermatit som kallas ”nickelklåda” hos tidigare sensibiliserade personer. Vid sensibilisering för nickel kvarstår det på obestämd tid.

Internationella byrån för cancerforskning (IARC) har placerat nickelföreningar i grupp 1 (det finns tillräckligt bevis på cancerframkallande egenskaper hos människor). OSHA reglerar emellertid inte nickel som cancerframkallande.

Det rekommenderas att exponeringen för metalliskt nickel och dess föreningar inte kan vara större än 1 mg / m ³ under åtta timmars arbete under en fyrtimmars arbetsvecka. Nickelkarbonyl och nickelsulfid är mycket giftiga eller cancerframkallande föreningar.

referenser

1. Muhammad Imran Din och Aneela Rani. (2016). Nya framsteg i syntese och stabilisering av nikkelpartiklar av nickel och nickeloxid: En grön adeptness. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, artikel ID 3512145, 14 sidor, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nickelbaserade nanopartiklar som adsorbenter i vattenreningsmetoder - en översyn. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nickel. Återställd från: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Rostfritt stål: Nickels roll. Återställd från: nickelinstitute.org
5. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (20 mars 2019). Nickel. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
6. Troy Buechel. (05 oktober 2018). Nickels roll i växtodling. Promix. Återställs från: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodisk tabell: Nickel. Återställd från: lenntech.com
8. Bell Terence. (28 juli 2019). Nickelmetallprofil. Återställd från: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). 10 fakta om nickelelement. Återställd från: thoughtco.com
10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Effekten av nickeltillsats på antimikrobiella, fysiska och mekaniska egenskaper hos koppar-nickellegering mot suspensioner av Escherichia coli. AIP Conference Proceedings 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727